Weak Mso with the Unbounding Quantifier

A new class of languages of infinite words is introduced, called the max-regular languages, extending the class of $\omega$-regular languages. The class has two equivalent descriptions: in terms of automata (a type of deterministic counter automaton), and in terms of logic (weak monadic second-order logic with a bounding quantifier). Effective translations between the logic and automata are given

The MSO+U theory of (N, <) is undecidable

We consider the logic MSO+U, which is monadic second-order logic extended with the unbounding quantifier. The unbounding quantifier is used to say that a property of finite sets holds for sets of arbitrarily large size. We prove that the logic is undecidable on infinite words, i.e. the MSO+U theory of (N,<) is undecidable. This settles an open problem about the logic, and improves a previous undecidability result, which used infinite trees and additional axioms from set theory.Comment: 9 pages, with 2 figure

Weak MSO+U with Path Quantifiers over Infinite Trees

This paper shows that over infinite trees, satisfiability is decidable for weak monadic second-order logic extended by the unbounding quantifier U and quantification over infinite paths. The proof is by reduction to emptiness for a certain automaton model, while emptiness for the automaton model is decided using profinite trees.Comment: version of an ICALP 2014 paper with appendice

A Unified Approach to Boundedness Properties in MSO

In the past years, extensions of monadic second-order logic (MSO) that can specify boundedness properties by the use of operators referring to the sizes of sets have been considered. In particular, the logics costMSO introduced by T. Colcombet and MSO+U by M. Bojanczyk were analyzed and connections to automaton models have been established to obtain decision procedures for these logics. In this work, we propose the logic quantitative counting MSO (qcMSO for short), which combines aspects from both costMSO and MSO+U. We show that both logics can be embedded into qcMSO in a natural way. Moreover, we provide a decidability proof for the theory of its weak variant (quantification only over finite sets) for the natural numbers with order and the infinite binary tree. These decidability results are obtained using a regular cost function extension of automatic structures called resource-automatic structures

Delay Games with WMSO+U Winning Conditions

Delay games are two-player games of infinite duration in which one player may delay her moves to obtain a lookahead on her opponent's moves. We consider delay games with winning conditions expressed in weak monadic second order logic with the unbounding quantifier, which is able to express (un)boundedness properties. We show that it is decidable whether the delaying player has a winning strategy using bounded lookahead and give a doubly-exponential upper bound on the necessary lookahead. In contrast, we show that bounded lookahead is not always sufficient to win such a game.Comment: A short version appears in the proceedings of CSR 2015. The definition of the equivalence relation introduced in Section 3 is updated: the previous one was inadequate, which invalidates the proof of Lemma 2. The correction presented here suffices to prove Lemma 2 and does not affect our main theorem. arXiv admin note: text overlap with arXiv:1412.370

Recursion Schemes and the WMSO+U Logic

We study the weak MSO logic extended by the unbounding quantifier (WMSO+U), expressing the fact that there exist arbitrarily large finite sets satisfying a given property. We prove that it is decidable whether the tree generated by a given higher-order recursion scheme satisfies a given sentence of WMSO+U

Topological Complexity of Sets Defined by Automata and Formulas

In this thesis we consider languages of infinite words or trees defined by automata of various types or formulas of various logics. We ask about the highest possible position in the Borel or the projective hierarchy inhabited by sets defined in a given formalism. The answer to this question is called the topological complexity of the formalism.It is shown that the topological complexity of Monadic Second Order Logic extended with the unbounding quantifier (introduced by Bojańczyk to express some asymptotic properties) over ω-words is the whole projective hierarchy. We also give the exact topological complexities of related classes of languages recognized by nondeterministic ωB-, ωS- and ωBS-automata studied by Bojańczyk and Colcombet, and a lower complexity bound for an alternating variant of ωBS-automata.We present the series of results concerning bi-unambiguous languages of infinite trees, i.e. languages recognized by unambiguous parity tree automata whose complements are also recognized by unambiguous parity automata. We give an example of a bi-unambiguous tree language G that is analytic-complete. We present an operation σ on tree languages with the property that σ(L) is topologically harder than any language in the sigma-algebra generated by the languages continuously reducible to L. If the operation is applied to a bi-unambiguous language than the result is also bi-unambiguous. We then show that the application of the operation can be iterated to obtain harder and harder languages. We also define another operation that enables a limit step iteration. Using the operations we are able to construct a sequence of bi-unambiguous languages of increasing topological complexity, of length at least ω square.W niniejszej rozprawie rozważane są języki nieskończonych słów lub drzew definiowane poprzez automaty różnych typów lub formuły różnych logik. Pytamy o najwyższą możliwą pozycję w hierarchii borelowskiej lub rzutowej zajmowaną przez zbiory definiowane w danym formalizmie. Odpowiedź na to pytanie jest nazywana złożonością topologiczną formalizmu.Przedstawiony został dowód, że złożonością topologiczną Logiki Monadycznej Drugiego Rzędu rozszerzonej o kwantyfikator Unbounding (wprowadzony przez Bojańczyka w celu umożliwienia wyrażania własności asymptotycznych) na słowach nieskończonych jest cała hierarchia rzutowa. Obliczone zostały również złożoności topologiczne klas języków rozpoznawanych przez niedeterministyczne ωB-, ωS- i ωBS-automaty rozważane przez Bojańczyka i Colcombet'a, oraz zostało podane dolne ograniczenie złożoności wariantu alternującego ωBS-automatów.Zaprezentowane zostały wyniki dotyczące języków podwójnie jednoznacznych, tzn. języków rozpoznawanych przez jednoznaczne automaty parzystości na drzewach, których dopełnienia również są rozpoznawane przez jednoznaczne automaty parzystości. Podany został przykład podwójnie jednoznacznego języka drzew G, który jest analityczny-zupełny. Została wprowadzona operacja σ na językach drzew taka, że język σ(L) jest topologicznie bardziej złożony niż jakikolwiek język należący do sigma-algebry generowanej przez języki redukujące się w sposób ciągły do języka L. W wyniku zastosowania powyższej operacji do języka podwójnie jednoznacznego otrzymujemy język podwójnie jednoznaczny. Zostało pokazane, że kolejne iteracje aplikacji powyższej operacji dają coraz bardziej złożone języki. Została również wprowadzona druga operacja, która umożliwia krok graniczny iteracji. Używając obydwu powyższych operacji można skonstruować ciąg długości ω kwadrat złożony z języków podwójnie jednoznacznych o coraz większej złożoności